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缺陷对石墨烯电子结构的影响

作者:时间:2012-02-20来源:网络

摘要 基于第一性原理计算方法,通过密度泛函理论(DFT)和广义梯度近似(GGA)对本征及含有烯超晶胞进行了的计算,研究了多种。研究发现,多种均使烯能带在费米能级附近出现缺陷态对应的能带,并导致其能隙有不同程度的增大,而且与之对应的态密度也随之发生相应的变化。其中,Stone-Wakes缺陷使石墨烯带隙由0 eV增至0.637 eV,单空位缺陷使带隙由0eV增至1.59leV,双空位缺陷使带隙由0 eV增至1.207eV。
关键词 石墨烯;;缺陷;DFT

自2004年曼彻斯特大学的安德烈(AndreK.Geim)等人制备出石墨烯以来,全世界掀起了对石墨烯研究的热潮。石墨烯中各碳原子之间的连接紧密柔韧,其强度比世界上最好的钢铁还要高100倍,并且拥有一系列的独特特性,如分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性激子带隙等现象,并且石墨烯的电子迁移率在室温下可以超过15 000 cm2/V·s。然而在石墨烯的制备过程中,不可避免地产生各种缺陷,比如Stone-Wales缺陷、空位缺陷和吸附原子,当在石墨烯上施加一定应力后,就有可能使碳原子面弯曲变形,产生缺陷。这些缺陷将石墨烯的性能,但其缺陷效应对其电学特性的机理还不清楚。研究其缺陷对石墨烯的影响,有助于在实验中引入缺陷实现对石墨烯性能进行调控。文中工作旨在利用第一性原理来研究存在Stone-wales缺陷和单、双空位缺陷的石墨烯的电子结构,探讨多种缺陷对石墨烯电子结构的影响。

1 计算模型与方法
几何结构优化和电子结构的计算是采用基于密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法的Castep软件包完成的。在进行结构弛豫和电子结构的计算中,采用广义梯度近似(GGA)修正的PBE泛函处理交换相关势能,能带结构积分路径的选取如图1所示。为减少平面波的数量,采用超软赝势(Ultrasoft pseudo petential)描述原子实与价电子之间相互作用,平面波截断能(Energy cut-off)设置为280 eV,k-point设置为1×1 ×2对应第一布里渊(Brillouin)区。结构优化采用BFGS算法,优化参数设置如下:单元电子能量收敛标准为1.0×10-5eV/atom,原子间相互作用力收敛标准为0.03 eV,晶体内应力收敛标准为0.05 GPa,原子最大位移收敛标准为1.0×10-13m,三维模型中真空层取1.0×10-9m。在计算缺陷模型之前首先计算了本征石墨烯原胞的电子结构,石墨烯原胞如图2(a)所示,能带结构如图2(b)所示。由图2可以看出,对于石墨烯原胞,其能带结构带隙为零,表现出了很强的金属性。考虑到缺陷浓度和计算量的限制,文中对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展,得到50个碳原子的超晶胞,这50个原子的超晶胞将是与缺陷模型进行比较的本征石墨烯模型。对模型进行几何优化后,结果如图3(a)所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/177883.htm

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